大象装进冰箱里?相对论或许有方法 | 王木头讲科学

2017-11-30  万语千言5...


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如果未来的某一天,地球即将毁灭,所有的人都需要移居到其他星球才可以继续生存。很幸运,人类已经发行了一颗和地球很像的移居星球,不过它在距离地球100光年的地方。人类也建造出来了一艘大型飞船可以进行宇宙航行,不过上面的能源很少,即使让所有人都休眠也只够使用50年。可是那一颗星球却距离地球100光年,光年是一个距离单位,代表着光跑1年的距离。这就是说,光从地球到那颗星球都需要100年,飞船速度再快又怎么能够快过光线呢?会不会还没有到达那里就因为能源不足而失败呢?


你已经听了这么久的相对论知识了,所以肯定是不会担心这个问题的。因为你知道,只要速度够快,时间就会变慢的,所以只要飞船快到一定程度,那么就可以不用50年就能到达那里。你还知道越接近光速,那么时间就越慢,如果能达到光速的话那么就相当于时间静止了。不只这些,你更知道飞船是永远不会达到光速的,只能无限接近,因为任何有静止时有质量的东西都不会达到光速。速度越快的质量越大,真的达到光速的话,那质量就会达到无穷大了,而这是不可能的。



这些道理你是都懂的,可是你想过没有,如果你坐在飞船上离开地球飞往100光年的另一颗星球,本来最少最少也需要100年的时间,结果根据相对论的解释不到50年就会到达。这代表着什么?100年到达是光的速度,那就代表着任何不到100年就能到达的速度,那一定是超过光速的。不到50年就可以到达,是不是就代表飞船要超过光速才可以呢?


如果你也是这么想的话,那么你其实是被我的一句话误导了。这句话就是100年达到那颗星球,是光的速度,而不到100年到达那颗星球就超过光速。你发现这句话的问题了吗?或许没有发现,你觉得这句话完全没有问题。就比如说,进行100米的赛跑,的确是用的时间越少,那么跑的速度就越快。乘坐飞船到达遥远的星球也一样啊,起点是地球,终点是100光年外的外星球,50年到达肯定是要比100年到达肯定会更快的,不是吗?


还真不是。因为上面所有的一切,都有一个前提,就是距离是不变的,起点和终点不会因为速度的改变而改变。而实际上,距离会和时间一样因为速度变快而变得越来越短。


其实不知这样,我们再来理一下这个问题。光100年之后可以从地球到底那颗星球,这个100年是对于谁来说的呢?是对于地球上观察的人来说的。而对于飞过去的光来说,它会感觉到一瞬间就到了目的地,没有花一点时间。因为越接近光速,时间越慢,如果速度等于光速的话那么就相当于时间就静止了。


而我们说的飞船会用少于50年的时间飞到目的地,这里说的其实是对于飞船上的人来说是少于50年的,如果还是从地球上看过去,这个飞船飞到目的地的时间一定是超过100年的。而且还会看到,这个飞船上所有人的所有动作都会因为时间变慢而变成了慢动作。


这个问题解决了,从地球上看飞船并没有超过光速。可是如果从飞船上去看呢?它的确花了不到50年的时间,走过了100光年的距离啊。我们可以这样来想想看,你乘坐宇宙飞船快速飞向目的地星球。因为你是和飞船一起运动的,所以你是不会感觉到快速移动的,不过运动都是相对的,就像是在火车上一样,你会看到窗外的景象飞速向后移动。所以,在飞船上你会看到目的地星球快速朝着宇宙飞船进行移动,不到50年就会移动到飞船身边。目的星球不用50年就移动到了飞船边,它们本来是相距了100光年的,这岂不是说这颗星球移动的速度会超过光速吗?这个问题如何解决呢?


答案很简单,速度、时间和移动距离是一组相关物理量,这个我们已经很熟悉了。这3个物理量里面,其中2个我们是现在是清楚的。时间是不到50年,根据相对论速度是不可能超过光速,所以现在只有距离是没有限制的。于是唯一可能的答案就是,随时速度的增加,不只是时间变慢了,距离也变短了。如果不是这样的话,那就是相对论错了。


这就是相对论另一个结论了,同样颠覆了我们的常识。我们认为长度是不会改变的,现在看来并不是这样了,它会改变,而且和时间一样,也是随着速度而进行变化。在速度运行的方向上,速度越快,长度越短。比如说, 在一个以0. 99倍光速相对于地球航行的飞船上,100光年的距离会缩短成14光年。如过是0. 9999倍光速航行,那么100光年就会缩短到只剩1光年。 如果宇宙飞船再快,已经可以逼近光速了, 比如0. 999999999倍光速, 那么100 光年的距离只要在两天之内就可以完成了。


听到这个数字,会不会觉得星际旅行还是非常有希望的,几百光年只要速度够快,也就是几天的时间,和在地球上长途旅行差不多。如果真是这么想的的话,那就太简单了,关键问题是如何把飞船加速到0.999999999倍光速呢?不要忘记了,速度越快质量就会越大,那就代表着,需要的燃料和能量就越多。如果真要把飞船加速到0.999999999倍光速,那么质量是要增加20000多倍的。想把这么重的东西加速,那是非常非常耗费能量的。而且加速所需要的燃料也需要放飞船上,它们也是有质量的,所以最后反而让加速更加困难了。大家想想看,为什么火箭会一边飞一边解体呢?就是把多余的质量扔掉,可以更容易加速。


所以,想和在地球上旅行一样在星际之间旅行理论上是可以的,但是实现起来却非常困难。


速度快,可以让长度变短,这一点我们应该是可以接受了。不过这就完了吗?我一直举得一个例子就是,科学理论就像是一个魔方,我们让距离可以变短来适应了相对论,算是拼出来魔方的一面,但是拼出这一面的同时,会不会又再次把其他面给破坏了呢?


在回答这个问题之前,我们先要知道这样一个现象。刚才我们想象的星际旅行,是假设你在飞船上和飞船一起运动,你会看到在你航行路线上的距离都变短的,因为它们相对于你来说是运动的。而对于地球上来的人来说,飞船是在运动的,所以在它们看了是飞船会在速度的方向上变短了,就像是被压缩了一样。


好,明白了这个道理。那么可以来想象一下这样的一个情况。有一列未来的火车,速度很快,可以用0.99倍的光速向前行驶。前面有一个隧道,这个隧道并不长,只有火车静止时的一半的长度。也就是说如果火车正好停车在隧道里面的话,这个隧道是装不下火车的,会前面露出来一点,后面露出来一点。可是它运动起来就不一样了,我们知道速度越快长度是会变短的,火车以0.99倍光速运行,那么在地面上看来,火车将会只有不到原来的五分之一长,那么是可以轻轻松松装进隧道里面的。


我想大家一定不会觉得这一点有问题。不过,接下来问题就来了。速度是相对的,对于地面上的人,或者说对于隧道来说,火车是运动的,但是反过来我们也可以说隧道对于火车上面的人来说是运动的啊。所以,火车上的人会看到隧道以0.99倍的光速向自己运行过来。问题出现了,隧道是运动的,那么隧道的长度就会变短,本来它只有火车静止时长度的一半,现在更短了,更不可能把火车装在隧道里了。这样,就出现了一个大问题,有矛盾了,同样的火车,同样的隧道,在地面上去看,和在火车上去看会是完全两种情况,一个是火车装不进隧道,一个是可以装进隧道,到底哪个是对的呢?出现这样的矛盾,是不是说相对论出现了问题呢?大家可以思考一下,我们下一次来解决这问题。

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